WYŁĄCZNIKI OCHRONNE RÓŻNICOWOPRĄDOWE 1.pdf

Dr inż. Edward MUSIAŁ

Dr inż. Stanisław CZAPP

Katedra Elektroenergetyki

Politechnika Gdańska

WYŁĄCZNIKI OCHRONNE RÓŻNICOWOPRĄDOWE.

POWSTANIE, ROZWÓJ, PRZYSZŁOŚĆ

Doświadczenie to suma naszych błędów.

T. A. Edison

Streszczenie

Artykuł inicjuje cykl publikacji na temat wyłączników różnicowoprądowych. Zawiera skróconą historię ochrony prze-

ciwporażeniowej przy urządzeniach elektrycznych niskiego napięcia i przepisów z nią związanych, poczynając od

zarania elektroenergetyki. Na tym tle przedstawiono okoliczności powstania i kolejne etapy rozwoju wyłączników róż-

nicowoprądowych oraz ewolucję poglądów na ich użyteczność i zasady stosowania. Wskazano możliwe kierunki przy-

szłego rozwoju techniki wyłączników różnicowoprądowych.

Wstęp

Od pół wieku wyłączniki ochronne różnicowoprądowe i liczne urządzenia pochodne wyko-

rzystujące tę samą bądź zbliżoną zasadę działania odgrywają szczególną rolę w technice ochrony

przeciwporażeniowej przy urządzeniach niskiego napięcia. Przez ćwierć wieku pomysł zgłoszony w

roku 1928 był uśpiony, czekając na szersze praktyczne wdrożenie, a kiedy wreszcie do tego doszło,

wtedy rozpoczął się imponujący rozwój konstrukcji, technologii i zastosowań.

Żadne urządzenie ochronne, żaden system ochrony przeciwporażeniowej nie ma tak wszech-

stronnych własności ochronnych i tak szerokiego zakresu zastosowań. Przydatność wyłączników

różnicowoprądowych nie ogranicza się do ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej (ochrony przy

uszkodzeniu) przez samoczynne wyłączania zasilania. Są one jedynym urządzeniem ochronnym

mogącym w miarę skutecznie chronić ludzi i zwierzęta w razie bezpośredniego dotknięcia części

czynnych. Chronią również od pożarów wywoływanych małoprądowymi zwarciami doziemnymi

oraz prądami upływowymi, na które nie reagują żadne zabezpieczenia nadprądowe.

W porównaniu z wyłącznikami nadprądowymi, a tym bardziej w porównaniu z bezpiecz-

i, wyłączniki różnicowoprądowe mają budowę znacznie bardziej złożoną, a zatem z natury

rzeczy są bardziej zawodne. Trzeba to mieć na uwadze decydując się na nie, trzeba to uwzględniać

przy ich doborze i użytkowaniu.

Im czulsze są wyłączniki, t

zyko, że mogą zbędnie wyzwalać naruszając ciągłość pracy chronionych obwodów i zasila-

nych urządzeń. To ryzyko czasem jest nie do zaakceptowania i są obwody, w których wyłączniki

różnicowoprądowe są niepożądane, w których nie powinny być stosowane, w których są nawet za-

bronione przez normy lub przepisy techniczne.

Przez minione pół wieku światłe umysły w

oraz do jej propagowania i popularyzowania. Nie próżnowały też inne, rodzime umysły. Nie-

wiele jest urządzeń i problemów elektrycznych, o których by wypisywano i opowiadano tyle

niedorzeczności i z takim uporem, co o wyłącznikach różnicowoprądowych.

Inicjujemy cykl publikacji adresowany do Czytelników o otwartych u

elektrotechniki i stawiających je ponad utarte wyobrażenia i przesądy, a także ponad nie-

przemyślane zapisy w przepisach. Do Czytelników chcących zaprowadzić ład w swoim widzeniu

ważnych problemów instalacyjnych i skłonnych ujrzeć je w szerszym kontekście. Rozpoczynamy

ym bardziej są wrażliwe na różnorodne zakłócenia i tym większe

jest ry

wielu krajach wiele wniosły do rozwoju tej dzie-

dziny

mysłach, pojmujących

prawa

nikam

od artykułu przeglądowego przedstawiającego okoliczności poczęcia, narodziny, dzieciństwo, mło-

dość i obecną dojrzałość wyłączników różnicowoprądowych, a także możliwe kierunki ich dalszego

rozwoju.

1. Poprzedzający stan wiedzy i techniki

W ostatnim dwudziestoleciu XIX wi

oenergetycznych, bo już były dostępne użyteczne odbiorniki energii, jak lampa łukowa

(1848), żarówka węglowa (1879), silnik komutatorowy prądu przemiennego (1884), silnik asyn-

chroniczny klatkowy (1889) i byli chętni do korzystania z nich, a zarazem zaczęły się pojawiać

elektrownie zawodowe (1882), zainteresowane dostarczaniem energii na niedużą odległość [10].

Wcześniej były tylko eksperymentalne bądź pokazowe instalacje o zasięgu ograniczonym do poje-

dynczych reprezentacyjnych obiektów publicznych i zamożnych rezydencji. Na przykład zamek

Linderhof bawarskiego króla Ludwika II został już w roku 1873 wyposażony w oświetlenie elek-

tryczne zasilane z pobliskiej maleńkiej „elektrowni” wodnej. Takie instalacje działały przy napię-

ciu stałym nieprzekraczającym 100 V , odpowiednim do zasilania lamp łukowych. Przesył energii

na większą odległość próbowano rozwiązać przy napięciu stałym 1300 V (wystawa w roku 1882 w

Monachium), potem 3000 V (linia Grenoble-Vizille 1 w 1883 roku). Zmiana napięcia wymagała

użycia przetwornic dwumaszynowych.

Spierano się, czy przyszłość ele

iennego [15], a zwolennicy tego ostatniego, m.in. G. Westinghouse i N. Tesla, a w Europie

M. Doliwo-Dobrowolski, rozważali, jaka częstotliwość byłaby najwłaściwsza. Silniki i prądnice

prądu stałego powstały już w latach 30. XIX wieku, ale elektrownie wytwarzające prąd stały

o niskim napięciu były w stanie zasilać obszar w promieniu zaledwie 2 km i to przy ówczesnej ma-

łej powierzchniowej gęstości obciążenia. Mimo to przy wyborze prądu stałego upierał się sam T. A.

Edison. Straszył, że prąd przemienny jest zabójczy i przedstawiał perfidny dowód w postaci krzesła

elektrycznego (pierwsza egzekucja 6 sierpnia 1890), które doskonalił i testował, zabijając wiele

psów i kotów. Nie doszło do pojedynku, na który Edison ponoć wyzwał Westinghouse’a. Miał on

odbyć się nie na pistolety, lecz na elektrody połączone ze źródłem napięcia stałego dla Edisona

i napięcia przemiennego dla Westinghouse’a. Zwycięzcą byłby ten, kto wytrzyma (przeżyje?) wyż-

szą wartość napięcia i jego wybór rodzaju prądu byłby odtąd preferowany.

O wyborze prądu przemiennego zdecydowała łatwość zmiany napięcia przy prze

zą odległość oraz zarysowująca się od początku atrakcyjność układu trójfazowego. To Tesla

wskazał układ trójfazowy , jako umożliwiający przesył przy najmniejszym zużyciu miedzi na

przewody, i skonstruował generator trójfazowy. W Europie ten układ forsował Doliwo-

Dobrowolski, wynalazca m.in. trójfazowego silnika klatkowego. W roku 1891 przy jego udziale,

z okazji Międzynarodowej Wystawy Elektrotechnicznej dokonano pierwszego przesyłu prądu trój-

fazowego o napięciu początkowo 15 kV, potem 25 kV, na ogromną wtedy odległość 175 km z hy-

drozespołu 300 KM (50 V, 40 Hz) cementowni w Lauffen nad Neckarem do centrum ekspozycji we

Frankfurcie nad Menem; straty sieciowe osiągały 25 %. Wydarzeniem przypieczętowującym prze-

wagę prądu przemiennego był kontrakt firmy Westinghouse (1895) na budowę po amerykańskiej

stronie Niagary elektrowni z 10 hydrozespołami o mocy jednostkowej 5000 KM z generatorami

prądu przemiennego o napięciu 2,2 kV do zasilania odległych o 32 km zakładów przemysłowych

w Buffalo.

Nie brano wtedy pod u

owego systemu elektroenergetycznego. Miasta miały własne elektrownie pracujące na wy-

dzieloną sieć, dość swobodnie wybierano parametry układu, co okazało się utrapieniem, kiedy te

wydzielone sieci przyszło łączyć kilkadziesiąt lat później, zwłaszcza po II wojnie światowej. Na

przykład Francuzi dopiero wtedy zaczęli likwidować częstotliwość 25 Hz na Lazurowym Wybrzeżu

i układ 2-fazowy 2 w licznych dzielnicach Paryża, ale do dziś mają lokomotywy „wieloprądowe”

1 W tej miejscowości doszło do tragicznego wypadku polskiego autokaru 22 lipca 2007 roku.

2 Dwa napięcia przesunięte o 90º względem siebie według pomysłu Galileo Ferrarisa.

eku powstawały i rozwijały się zaczątki instalacji i sieci

elektr

ktroenergetyki należy do prądu stałego, czy do prądu

przem

syle na

więks

wagę możliwości powstania ogólnokrajowego, a tym bardziej między-

narod

(franc. locomotives polycourant ) przystosowane do jazdy po trasach złożonych z odcinków zasila-

nych różnym napięciem i różnym rodzajem prądu.

W jedno- i trójfazowych sieciach i instalacjach prądu przemiennego niskiego napięcia po-

czątkowo stosowano napięcie takie, jak przy prądzie stałym, z zakresu 100÷125 V. Te napięcia

okazały się zbyt małe do rozdziału dużej mocy w zakładach przemysłowych, wobec czego około

roku 1 900 do hut i kopalń zaczęto wprowadzać napięcie 500 V 1 , niestety nieskojarzone (w stosun-

ku 3 ) z wcześniej stosowanymi napięciami. Dopiero później, około roku 1910, przyjęło się na-

pięc 220/380 V i bardzo powoli stawało się podstawowym napięciem trójfazowych czteroprze-

wodowych sieci i instalacji miejskich oraz przemysłowych. Na przykład Szwajcaria dopiero

w latach 1933-1936 przechodziła z jednofazowych trójprzewodowych sieci 2×125/250 V na sieci

trójfazowe 220/380 V. Przez wiele lat napięcie 250 V było wartością graniczną sieci niskiego na-

pięcia ; tak bowiem w skali międzynarodowej nazywano sieci, w których napięcie przewodu skraj-

nego względem ziemi nie przekracza 250 V w żadnych warunkach pracy, również przy zwarciu

z ziemią któregokolwiek przewodu.

Niestety, zawsze aktywność ob

jawiali ludzie forsujący swoje naśladowcze pomysły i równo-

legle w różnych krajach rozwijały się sieci i instalacje 230/400 V oraz 240/415 V. Tę kłopotliwą

i kosztowną różnorodność ukróciła dopiero decyzja IEC 2 z roku 1983 wyznaczająca 20-letni okres

dostosowawczy, do roku 2003, na likwidację obu skrajnych wartości napięcia (220/380 V

i 240/415 V). Zdecydowano pozostawić tylko napięcie 230/400 V , chociaż znacznie bardziej roz-

powszechnione było napięcie 220/380 V, ale bezinwestycyjne dostosowanie do niego istniejących

sieci i instalacji 240/415 V byłoby niemożliwe. Wybrano najmniej rozpowszechnioną wartość

230/400 V, bo była usytuowana pośrodku między skrajnymi 220/380 V i 240/415 V. Jeżeli

w instalacjach przemysłowych albo okrętowych napięcie 400 V nie wystarcza ze względu na moc

jednostkową odbiorników i/lub powierzchniową gęstość obciążenia, to wybrać należy skojarzone

z nim (

3 =

690

) napięcie 690 V .

raz z rozwojem po

kazowych, przemys

łowych i bytowych zastosowań elektryczności odno-

ano już od roku 1870 wypadki pożarów , a dopiero później − wypadki porażeń prądem elek-

trycznym. Zapewne dlatego, że początkowo posługiwano się napięciem 100 V zarówno prądu sta-

łego, jak i prądu przemiennego, natomiast natężenia prądu − istotne dla zagrożenia pożarowego −

od początku były duże. Z tych powodów jako pierwsze pojawiły się przepisy zapobiegania pożarom

od urządzeń elektrycznych. W roku 1882 Society of Telegraph Engineers and of Electricians wy-

dało pierwsze brytyjskie przepisy zapobiegania pożarom od urządzeń oświetlenia elektrycznego

( Rules and Regulations for the Prevention of Fire Risks arising from Electric Lighting ). Było to

pierwsze wydanie znanych brytyjskich przepisów instalacyjnych Wiring Regulations , rozszerzane

w następnych latach na inne instalacje elektryczne. Rok później, 20 sierpnia 1883 roku, podobne

przepisy niemieckie Sicherheitsvorschrift für elektrische Beleuchtung wydał Verband Deutscher

Privat-Feuer-Versicherungsgesellschaften (Związek Niemieckich Prywatnych Towarzystw Ubez-

pieczenia od Pożaru).

Pierwszy w Nie

yczne wydarzył się wieczorem 4 listopada 1879 roku w budynku Reichstagu w Berlinie przy

nieostrożnej próbie regulacji lampy łukowej. Porażony technik przeżył, bo − jak donosiła prasa fa-

chowa [7] − został natychmiast wyniesiony do ogrodu, gdzie obie ręce włożono mu do ziemi.

Z upływem czasu, w miarę wypróbowywania i wprowadzania wyższych napięć (500V,

220/380 V), odnotowywano coraz liczniejsze wypadki porażenia prądem, również wypadki śmier-

telne. Żurnaliści i inni laicy byli przerażeni, jak łatwo prąd elektryczny może zabić. Nie przeszka-

dzało im to na jarmarkach i festynach uczestniczyć w zawodach, ile kto woltów wytrzyma ani od-

dawać się w ręce szarlatanów, zajmujących się „elektroterapią”.

Badacze byli obyci z porażeniami prądem elektrycznym o

mczech udokumentowany wypadek porażenia prądem przez urządzenie

elektr

d czasu, kiedy Benjamin Franklin

wyjaśnił elektryczną naturę piorunów. Rozwój elektroenergetyki skłonił ich do intensyfikacji bada-

1 Napięcie znamionowe układu 3-fazowego z definicji jest napięciem międzyprzewodowym.

2 IEC − Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (ang. International Electrical Commission ).

⋅

towyw

nia porażeń prądem stałym i prądem przemiennym pochodzącym z instalacji elektrycznych. Bardzo

kompetentne były opisy wypadków i wnioskowanie na ich podstawie [23] (rys. 1), poszerzała się

wiedza o mechanizmie rażenia [2, 11, 14]. Już przed rokiem 1900 Boruttau wskazał fibrylację ko-

mór serca jako ważną przyczynę zgonów wskutek porażenia prądem [2, 16, 19].

Rys. 1. Stronica ty

tułowa książki z roku 1908 o wypadkach pora

żenia prądem silnym

Rozu ujmu-

jących wszelkie aspekty bezpieczeństwa ich użytkowania. Powstałe 22 stycznia 1893 roku Stowa-

rzysze

miano pilną potrzebę ustanowienia przepisów budowy urządzeń elektrycznych

nie Elektrotechników Niemieckich VDE ( Verband Deutscher Elektrotechniker ) już 24 marca

tegoż roku podjęło decyzję opracowania przepisów budowy urządzeń elektrycznych niskiego na-

pięcia. Ukończono je i ustanowiono w listopadzie 1895 roku jako ogólnoniemieckie przepisy dla

nowych urządzeń elektrycznych o napięciu nieprzekraczającym 250 V: Sicherheitsvorschriften für

elektrische Starkstromanlagen , pierwowzór normy DIN VDE 0100. W styczniu 1896 roku przepisy

te opublikowano w miesięczniku Elektrotechnische Zeitschrift (ETZ) , a już w kwietniu tego samego

roku ukazał się pierwszy komentarz do nich pióra dr. C. Ludwiga Webera, który takie komentarze

pisał do lat 30. XX wieku. W roku 1898 roku na szóstym dorocznym zjeździe VDE przyjęto pierw-

szą nowelizację tych przepisów.

W paryskim Bulletin Municipal Officiel z 4 sierpnia 1895 roku ukazały się przepisy zarządu

miasta Paryża dotyczące budowy

twa elektrycznego ukazały się w roku 1896, a rok później ukazało się pierwsze wydanie ame-

rykańskiego National Electrical Code (NEC), zbioru przepisów budowy urządzeń elektrycznych,

który po licznych nowelizacjach ukazuje się po dziś dzień.

Sieci publiczne niskiego napięcia przez pierwsze lata nie miały uziemień roboczych; sieci

trójfazowe miały punkt neutralny izolowany od ziemi. Zac

roku 1910, a w innych (Norwegia) − dopiero po roku 1980.

Układ izolowany ma tę zaletę, że pierwsze zwarcie doziemne jest małoprądowe i nie musi

być wyłączane, co sprzyja ciągłości zasilania. Jeśli układ zawiera w

kontrola stanu izolacji doziemnej, by pierwsze zwarcie mogło być szybko wykryte i usunięte

przez obsługę mającą stały dostęp do wszystkich urządzeń. Ten ostatni warunek jest nie do spełnie-

nia w instalacjach zasilanych z sieci publicznej, co dyskwalifikuje układ izolowany w takim zasto-

sowaniu. Ponadto ważne z punktu widzenia zagrożenia porażeniowego napięcie układu względem

ziemi jest w układzie izolowanym równe napięciu międzyprzewodowemu, podczas gdy jest ono

instalacji elektrycznych. W Szwajcarii pierwsze przepisy bezpie-

czeńs

zęło się to zmieniać w jednych krajach

już po

ciągła

iele obwodów, to pożądana jest

kańskie National Electrical Code w roku 1913 wprowadziły obowiązek uziemienia robocze-

go punktu bądź przewodu neutralnego przy zasilaniu z jedno- bądź trójfazowej sieci publicznej ni-

skiego napięcia. Miało to zapewnić, że przewody nieuziemione będą miały względem ziemi napię-

cie niewiększe niż około 115 Vac. Uziemiony przewód neutralny miał się wyróżniać barwą białą.

Obowiązywał zakaz umieszczania w nim bezpieczników i łączników. We Francji w roku 1927

wprowadzono obowiązek uziemienia punktu neutralnego transformatora zasilającego sieć publiczną

o napięciu znamionowym przekraczającym 150 V.

Wymagania odnośnie do ochrony przeciwporażeniowej w urządzeniach niskiego napięcia

dojrzewały powoli. Od początku rozumiano donio

j , nawet jeżeli tak jej wtedy nie nazywano. Części czynne miały izolację podstawową bądź

osłony, bądź też były umieszczane poza zasięgiem ręki. Nie od razu były określone i przestrzegane

dzisiejsze zasady bezpieczeństwa dotykowego (palec probierczy) czy stopnie ochrony osłon, a po-

nadto asortyment materiałów izolacyjnych (pochodzenia naturalnego) był początkowo bardzo

skromny. Dość wcześnie (Niemcy, 1911) wprowadzono zasadę okresowych pomiarów rezystancji

izolacji i przyjęto dla niej wymaganie tysiąca omów na jeden wolt napięcia roboczego (1000 Ω/V).

Oznaczało to dopuszczalną wartość prądu upływowego (ściślej: składowej czynnej prądu upływo-

wego) na poziomie 1 mA w obiekcie poddanym pomiarowi, zwłaszcza na odcinku instalacji między

kolejnymi zabezpieczeniami, czyli kolejnymi stopniami rozdziału energii.

Wymagania odnośnie do ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej (ochrony przy uszko-

dzeniu) 1 powstawały i rozwijały się powoli. Dopóki stosowano napięcie

wa nie była potrzebna. Zagrożenie było nieco większe po przejściu na prąd przemienny o co-

raz wyższym napięciu. Było „nieco większe”, bo realia były inne niż obecnie: urządzeń elektrycz-

nych było niewiele, a w szczególności mało było urządzeń ruchomych, zwłaszcza urządzeń ręcz-

nych. W mieszkaniach izolacyjne były podłogi i elementy wyposażenia wnętrz, w lokalach prawie

nie było metalowych rurociągów. W przypadku urządzeń elektrycznych instalowanych w takich

warunkach długo nie wymagano żadnej ochrony dodatkowej. Wyraźnie większe było zagrożenie

w łazienkach, które jednak nie występowały powszechnie, w zelektryfikowanych gospodarstwach

rolnych i w zakładach przemysłowych.

Pojawiały się zalecenia bądź wymagania uziemiania części przewodzących dostępnych, ale

w wielu krajach długo były tak formułowane,

nanej rezystancji uziemienia, w żaden sposób nieskoordynowanej z zabezpieczeniami obwo-

du. Jeszcze w roku 1923 norma francuska wymagała uziemiania „masy”, czyli części przewodzą-

cych dostępnych:

silników zasilanych napięciem przekraczającym 150 V, jeśli są one dostępne ze stanowiska nie-

izolacyjnego,

sprzętu gospodarstwa domowego o mocy przekraczającej 4 kW,

ogrzewaczy wo

a także znajdujących się w pomieszczeniach mokrych części przew

się znaleźć pod napięciem w wyniku uszkodzenia izolacj

gań odnośnie do sposobu wykonania uziomu, rezystancji uziemienia ani urządzenia zabezpieczają-

cego w obwodzie.

W sierpniu 1913 roku opublikowano w Niemczech Leitsätze für Schutzerdungen , pierwsze

wytyczne wymiaro

dem ziemi, których punkt zerowy (punkt neutralny) nie jest bezpośrednio uziemiony. Chodzi-

1 Ochrona dodatkowa (ochrona przy uszkodzeniu) w dzisiejszym ujęciu została w Niemczech zdefiniowana (niem.

Schutz gegen zu hohe Berührungsspannung ) dopiero w roku 1930 przy nowelizacji przepisów budowy urządzeń elek-

trycznych o napięciu znamionowym do 1000 V.

słość ochrony przeciwporażeniowej podsta-

wowe

stałe 100 V, ochrona do-

datko

że wystarczało jakiekolwiek połączenie z uziomem

o niez

dy w pomieszczeniach kąpielowych,

odzących obcych, które mogą

i. Norma nie formułowała żadnych wyma-

wania uziemień ochronnych w urządzeniach o napięciu wyższym niż 250 V

wzglę

równe napięciu fazowemu w układzie trójfazowym o bezpośrednio uziemionym punkcie neutral-

nym. Znaczenie tego aspektu rosło w miarę, jak zwiększało się napięcie w sieciach publicznych od

poziomu 100÷127 V poprzez 220÷240 V do poziomu 380÷415 V.

Zasada uziemienia roboczego w sieciach publicznych niskiego napięcia pojawiła się naj-

pierw w przepisach niemieckich i amerykańskich, znacznie później w innych krajach. Przepisy

amery

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: